KR20190085440A - 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 및 그 제조방법 - Google Patents

열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

기재; 상기 기재의 적어도 일면에 형성되고, 에폭시(Epoxy) 화합물과 아미노알콕시실란(amino alkoxysilane)의 공중합체를 포함하는 프라이머층; 및 상기 프라이머층 상에 형성되고, 탄소계 화합물과 고분자 바인더를 포함하는 전도층을 포함하고, 평균 밀도가 1.0 내지 5.0g/cc인 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 및 그 제조방법{COMPOSITE SHEET HAVING AN EXCELLENT THERMAL AND ELECTRIC CONDUCTIVITY AND MANUGACTURING METHOD THERE OF}
본 발명은 반도체 공정설비를 포함한 다양한 전기전자 공정설비용 방열재료로 사용되며, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
진공 증착(Vacuum deposition), 건식 에칭(Dry etching)과 같은 플라즈마 (plasma)를 이용하는 반도체 제조공정 설비는, 공정 운영 시에 높은 플라즈마 밀도(plasma density)와 구동 전력에 의해 심각한 열문제와 다양한 전자기적(electro-magnetic) 문제들이 발생한다. 이러한 열적 및 전자기적 문제들로 인하여 실리콘 웨이퍼의 공정 수율이 지대하게 영향을 받게 되며, 특히 고전압을 인가하는 상하부 전극 부분의 열문제를 해결하는 것이 큰 과제이다.
반도체 공정설비 전극부분의 열문제와 플라즈마에 관련된 전자기적 불안정성을 해결하기 위한 수단으로써, 공정 설비의 전극 부분에 열전도성과 전기전도성이 높은 소재를 장착하여 빠른 열전달을 가능하게 하고, 국부적인 열집중 문제를 해결하는 방법을 사용하고 있다. 특히, 이때 전극 부분의 내부에 사용되는 방열재료의 열전도성 및 전기전도성에 따라 공정 수율에 지대한 영향을 미치므로, 열전도성 및 전기전도성이 우수한 발열재료의 소재를 개발하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
한편, 종래에는 이러한 반도체 공정설비용 방열재료로, Al, Cu와 같은 금속 포일(foil)에 전도성 카본 소재를 양면에 코팅한 복합재료가 많이 사용되고 있으나, 극한 플라즈마 환경하에서 지속적으로 노출되는 경우 금속 포일과 전도성 카본 소재가 분리(delamination)되는 문제가 발생하고 있다. 이는 반도체 공정시간이 경과함에 따라 공정수율에 영향을 미치는 요소로 작용하게 되며, 이를 해결하기 위한 솔루션을 찾는 시도가 이루어지고 있다.
본 발명은 고온에서 장기간 노출 시에도 박리 현상이 발생하지 않아 내구성이 현저히 우수하고, 높은 밀도로 인해 열전도성 및 전기전도성이 우수한 복합시트 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 기재; 상기 기재의 적어도 일면에 형성되고, 에폭시(Epoxy) 화합물과 아미노알콕시실란(amino alkoxysilane)의 공중합체를 포함하는 프라이머층; 및 상기 프라이머층 상에 형성되고, 탄소계 화합물과 고분자 바인더를 포함하는 전도층을 포함하고, 평균 밀도가 1.0 내지 5.0g/cc인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면 기재의 적어도 일면에 프라이머 조성물을 도포 및 경화하여, 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함하는 프라이머층을 형성하는 단계; 상기 프라이머층에 도전성 코팅액 조성물을 도포 및 경화하여, 탄소계 화합물과 고분자 바인더를 포함하는 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 기재, 프라이머층 및 전도층을 포함하는 적층체를 압착하는 단계;를 포함하는 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법이 제공될 수 있다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상기 일 구현예에 따른 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트는, 기재, 상기 기재의 적어도 일면에 형성된 프라이머층, 및 상기 프라이머층 상에 형성된 도전층을 포함하며, 평균 밀도가 1.0 내지 5.0g/cc이다.
또한, 상기 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트는, 전기전자 공정설비용 방열재료로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 반도체 진공 플라즈마 설비(특히 드라이에칭 공정 설비)에 포함된 개스킷(gasket)으로 사용될 수 있다.
한편, 반도체 공정설비용 방열재료는 열전도성 및 전기전도성에 따라 반도체 제조 공정의 공정 수율에 지대한 영향을 미친다. 이에, 본 발명의 발명자들은 기재, 프라이머층, 및 전도층을 순차적으로 포함하는 적층체를 압착하여 평균 밀도가 1.0 내지 5.0g/cc인 복합시트를 제조하고 이를 반도체 공정 설비용 방열재료로 적용하는 경우, 복합시트의 높은 밀도로 인해 열전도성 및 전기전도성이 우수하고, 이로 인해 반도체 제조 공정의 공정 수율이 우수해질 수 있다는 점을 실험을 통해서 확인하고 발명을 완성하였다.
보다 구체적으로, 복합시트의 열전도성 및 전기전도성은 복합시트의 밀도를 높임으로써 향상시킬 수 있으며, 특히, 하기 수학식 1에 따르면 밀도는 열전도도에 비례하는 관계를 가지고 있기 때문에 복합시트의 밀도가 높을수록 열전도도의 향상에 크게 영향을 미친다는 점을 확인할 수 있다.
[수학식 1]
λ = α Ⅹ Cp Ⅹ ρ
상기 수학식 1에서,
λ는 열전도도(W/mK)이고, α는 열확산도(mm2/sec)이고, Cp는 비열(J/gK)이고, ρ는 밀도(g/cc)이다.
상기 복합시트의 열전도성 및 전기전도성에 영향을 미치는 복합시트의 평균 밀도는 1.0 내지 5.0 g/cc, 1.2 내지 4.0 g/cc, 또는 1.5 내지 3.0 g/cc일 수 있다. 상기 복합시트의 평균 밀도가 1.0 g/cc 미만이면 열전도성 및 전기전도성이 저하될 수 있으며, 5.0 g/cc 초과하면 기재에 대한 접착특성 및 도막 강도가 저하될 수 있다.
상기 복합시트의 밀도가 높을수록 상기 복합시트 내에 포함된 기공의 함량이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 복합시트의 기공률은 5% 이하, 0.1 내지 4%, 0.2 내지 3%, 또는 0.5 내지 2%일 수 있다. 상기 복합시트의 기공률이 5% 초과하면 열전도성 및 전기전도성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 복합시트는 두께가 50 내지 500㎛일 수 있다. 상기 복합시트의 두께가 50㎛ 미만이면 열전도성과 코팅 작업성이 나빠질 수 있으며, 500㎛ 초과하면 지나치게 두꺼운 두께의 기재를 포함함으로 인해 유연성의 저하되어 역시 열전도성과 코팅 작업성이 나빠질 수 있다.
상기 복합시트는 기재, 프라이머층 및 전도층은 순차적으로 적층되어 압착된 상태일 수 있으며, 이로 인해 복합시트의 밀도가 높아져 열전도도 및 전기전도도가 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 복합시트는 1.0 W/mK 이상, 2.0 내지 6.0 W/mK, 또는 3.5 내지 4.5 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 한편, 상기 복합시트는 100Ω 이하, 10 내지 100Ω, 또는 40 내지 90Ω의 저항을 가질 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 복합시트에 포함되는 기재는 상기 복합시트가 지지력을 갖게 하는 층으로서, 예를 들어, 금속 박막, 플라스틱, 종이, 부직포, 유리섬유 (glass-fiber), 또는 금속 메쉬일 수 있다. 상기 기재가 금속 박막인 경우, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있으며, 이들 중에서 중량 및 가격 등에서 유리한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다.
상기 기재로 사용할 수 있는 플라스틱은 특별히 제한되는 것은 아니며 공지의 플라스틱 기재로 사용할 수 있는 소재 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 셀룰로스 아세테이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리옥시에틸렌 및 폴리에틸에틸케톤으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 일 실시예의 복합시트에 포함되는 기재의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 10 내지 800㎛, 10 내지 250㎛, 또는 10 내지 100㎛일 수 있다. 상기 기재의 두께가 10㎛ 미만이면 전체 복합시트의 물리적 특성과 코팅 작업성이 나빠질 수 있으며, 300㎛ 초과하면 지나치게 두꺼운 두께의 기재를 포함함으로 인해 유연성의 저하되어 역시 열전도성과 코팅 작업성이 나빠질 수 있다.
상기 기재의 적어도 일면에는 프라이머층이 형성되며, 상기 프라이머층은에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함한다. 상기 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체는 에폭시관능기의 3차원 망목상 구조에 의한 많은 가교점을 가지고 있고 아미노알콕시기에 의하여 코팅 기재 표면에 존재하는 하이드록시기(-OH)와의 높은 반응성을 가질 수 있으며, 이에 따라서 상기 프라이머층은 코팅 기재에 대하여 높은 접착력을 가지게 되고 높은 가교밀도 (cross-liking density)를 가짐으로 인하여 프라이머층 자체 및 이를 포함하는 복합시트는 고온에서 장기 신뢰성(Long-term Reliability)이 우수할 수 있다. 따라서, 상기 프라이머층을 포함하는 상기 일 구현예의 복합시트는 고온에서 장기간 노출 시에도 박리 현상이 발생하지 않아 내구성이 현저히 우수한 특성을 가질 수 있다.
상기 프라이머층에 포함된 공중합체는 상기 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체이며, 상기 에폭시 화합물 및 상기 아미노알콕시실란의중량비는 1: 0.2 내지 30, 1: 0.5 내지 15, 또는 1: 1 내지 2일 수 있다. 상기 에폭시 화합물 및 상기 아미노알콕시실란의 중량비가 1:0.2 미만이면 코팅 기재에 대한 접착력이 나빠질 수 있고, 1:30 초과하면 가교밀도(cross-liking density)가 낮아져 고온에서 장기 신뢰성이 저하될 수 있다.
상기 공중합체는 상기 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 중합반응으로 생성된 것으로, 공중합체의 중량평균분자량(Mw)이 10,000 내지 900,000g/mol, 30,000 내지 700,000g/mol, 또는 100,000 내지 500,000g/mol일 수 있다. 상기 중량평균분자량이 10,000g/mol 미만이면 가교점(cross-linking point)이 적어 가교밀도(cross-linking density)가 낮아지고, 아미노알콕시기의 반응 사이트가 적어 코팅 기재와의 부착력도 낮아질 수 있으며, 900,000g/mol 초과하면 가교점(cross-linking point)이 너무 많아져 코팅 시트가 경하게 되고, 점도가 높아 컴파운딩하기 어려워지는 단점이 있다.
또한, 상기 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체는 점도가 10 내지 300,000cps, 20 내지 30,000cps, 또는 30 내지 3,000cps일 수 있다. 상기 점도가 10cps 미만이면 프라이머층이 브리틀(brittle)해져 이후 타발 공정이 어려워질 수 있고, 300,000cps 초과하면 컴파운드 점도가 높아짐으로 인하여 코팅 작업성이 나빠지는 단점이 있다.
상기 에폭시 화합물의 종류는 이로써 특별히 제한하는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리글리시딜 에테르 화합물, 폴리글리시딜아민에폭시 화합물, 비스페놀-A 타입 에폭시 화합물, 비스페놀-F 타입 에폭시 화합물, 레조시놀 타입 에폭시 화합물, 테트라히드록시비스페닐-F 타입 에폭시 화합물, 크레졸-노볼락 타입 에폭시 화합물, 페놀-노볼락 타입 에폭시 화합물 및 시클로알리파틱에폭시 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
한편, 상기 아미노알콕시실란은, 하기 화학식 1의 구조를 가진 알콕시실란(Alkoxysilane)에 아미노기가 치환된 것으로, 그 종류는 이로써 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 아미노프로필트리메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필트라이이소프로폭시실란, 및 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
[화학식 1]
R4-mSi(OR')n
R, R'는 알킬기이고, n은 1 내지 3이다.
상기 프라이머층은 상기 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체 외에도, 금속, 유기산 금속염, 올가노폴리실록산, 지연제 및 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 금속은 니켈(Ni), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 코발트(Co), 게르마늄(Ge), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 및 바나듐(V)에 선택되는 1종의 금속 또는 2 종 이상의 합금일 수 있지만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 상기 금속은 분말 형태일 수 있으며, 상기 금속 분말의 크기는 특별히 한정하지 않으나, 프라이머층의 두께가 지나치게 두꺼워지는 것을 방지하고, 프라이머층의 두께를 균일하게 하기 위해서는 상기 금속 분말의 입경이 70nm 이하, 또는 1 내지 45nm일 수 있다.
상기 유기산 금속염의금속염은 니켈(Ni), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 코발트(Co), 게르마늄(Ge), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 및 바나듐(V)에 선택되는 1종 이상의 금속염을 포함할 수 있으며, 상기 유기산 금속염의 유기산은 아세트산, 부틸산, 발레산, 아크릴산, 피발산, n-헥산산, t-옥탄산, 이소부틸산, 벤조산, 프로피온산, 2-에틸-헥산산, 네오데칸산, 라우르산, 스테아린산, 올레산, 나프텐산, 도데칸산, 및 리론산으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 프라이머층은 금속 및/또는 유기산 금속염을 포함함으로 인해 전도성을 나타낼 수 있다.
한편, 상기 올가노폴리실록산은 이로써 제한하는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리메틸비닐실록산, 메틸비닐실록산-디메틸실록산 공중합체, 디메틸비닐실록시-말단 디메틸실록산, 디메틸비닐실록시-말단 디메틸실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 트리메틸실록시-말단 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 트리메틸실록시-말단 디메틸실록산-메틸페닐실록산-메틸비닐실록산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 지연제는 에틸사이클로헥사놀일 수 있으며, 상기 계면활성제는 프라이머 조성물을 기재 상에 도포할 때 기재에 원활히 코팅되게 하는 목적으로 첨가되었던 것으로, 불필요 시 생략 가능하다. 상기 계면활성제를 첨가할 경우 통상적인 레벨링제, 예를 들어 실리콘계 또는 폴리에테르계 계면활성제를 사용할 수 있다.
상기 일 실시예의 복합시트에 포함되는 프라이머층은 평균 밀도가 0.9 내지 2.0g/cc일 수 있다. 상기 프라이머층의 평균 밀도가 0.9g/cc 미만이면 열전도성 및 전기 전도성은 저하될 수 있지만 기재 부착력 및 카본 코팅층과의 기재 결합력이 상승할 수 있으며, 2.0g/cc 초과하면 열전도성 및 전기전도성이 상승될 수 있지만 기재 부착력 및 카본 코팅층과의 기재 결합력이 저하될 수 있다.
상기 프라이머층의 밀도가 높을수록 상기 프라이머층 내에 포함된 기공의 함량이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 기공률은 5.0% 이하일 수 있다. 상기 기공률이 5.0% 초과하면 도막 강도가 저하되고, 열전도성 및 전기전도성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 프라이머층의 두께는 10 nm 내지 25㎛, 50 nm 내지 15㎛, 또는 1 내지 5㎛일 수 있다. 상기 프라이머층의 두께가 10 nm 미만이면 지나치게 얇은 두께의 프라이머층을 포함함으로 인해 복합시트의 지지력이 저하되거나, 박리 현상이 발생할 수 있으며, 25㎛ 초과하면 지나치게 두꺼운 두께의 프라이머층을 포함함으로 인해 복합시트의 열전도성 및 전기전도도가 저하될 수 있다.
상기 일 실시예의 복합시트는 상기 프라이머층 상에 전도층이 형성되며, 상기 전도층은탄소계 화합물 및 고분자 바인더를 포함한다. 상기 탄소계 화합물은 열전도성 및 전기전도성을 갖는 소재이고, 상기 고분자 바인더는 탄소계 화합물 상호간, 및 전도층과프라이머층간의 결합력을 도모하는 소재이다.
상기 복합시트는 열전도성 및 전기전도성을 갖는 탄소계 화합물을 포함함에 따라 열전도성 및 전기전도성이 우수하여, 상기 복합시트를 반도체 공정설비를 포함한 다양한 전기전자 공정 설비의 방열재료로 사용하는 경우, 빠른 열전달을 가능하게 하여 국부적인 열집중 문제를 해결할 수 있고, 플라즈마에 의한 대전 등과 같은 전자기적 불안정성을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상기 전도층은탄소계 화합물 및 고분자 바인더를 포함하며, 상기 탄소계 화합물 및 상기 고분자 바인더의 중량비는 1: 0.2 내지 30, 1: 0.5 내지 15, 또는 1: 1 내지 2일 수 있다. 상기 탄소계 화합물 및 상기 고분자 바인더의 중량비가 1:0.2 미만이면 고분자 바인더와 프라이머층 간의 접착력이 저하되어 박리 (delamination)현상이 발생할 수 있고, 바인더가 탄소계 화합물 잡아주지 못함으로 인하여 표면에서 필러가 묻어날 수 있으며, 1:30 초과하면 고분자 바인더 함량이 너무 높아 열전도성 및 전기전도성이 낮아질 수 있다.
상기 탄소계 화합물의 입자 최대 직경은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 전도층의 두께가 지나치게 두꺼워지는 것을 방지하고, 전도층의 두께를 균일하게 하기 위해서는 상기 탄소계 화합물의 입자 최대 직경이 0.01 내지 100㎛, 0.1 내지 70㎛, 또는 0.5 내지 50㎛인 것을 사용할 수 있다.
상기 전도층에 포함되는 탄소계 화합물은 카본 블랙, 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 산화 그래핀, 탄소 섬유 및 플러렌(Fullerene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 탄소계 화합물을 포함함에 따라서 상기 전도층은전도층 일변에 수직 방향뿐만 아니라, 수평 방향으로도 높은 전도도의 특성을 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 상기 전도층에 포함되는 탄소계 화합물은 그라파이트를 포함할 수 있다. 이러한 그라파이트의 개별 입자는 편상(flake)형태를 가질 수 있으며, 최대 직경이 0.01 내지 100㎛일 수 있으며, 밀도가 1.5 내지 3.0g/㎤ 일 수 있다.
상기 고분자 바인더는 우수한 전도성 및 충격 흡수 특성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 고분자 바인더로 사용될 수 있는 물질의 구체적인 예로는 열경화성 실리콘 고무 화합물, 일액형열경화성 실리콘 바인더, 이액형열경화성 실리콘 바인더, 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 우레탄계 수지 및 우레아계 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있는데, 이러한 물질들은 자체의 우수한 점착력으로 인하여 별도의 점착층 등을 구비할 필요 없어서 작업 고정을 단순화 할 수 있고 최종 제품의 생산 단가를 절감시킬 수 있다.
상기 일 실시예의 복합시트에 포함되는 전도층은 평균 밀도가 1.0 내지 3.0 g/cc일 수 있다. 상기 전도층의 평균 밀도가 1.0g/cc 미만이면 열전도성 및 전기전도성이 저하될 수 있으며, 3.0g/cc를 초과하면 도막 강도가 저하되고 복합시트의 유연성이 저하될 수 있다.
상기 전도층의 밀도가 높을수록 상기 전도층 내에 포함된 기공의 함량이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 전도층의기공률은 5.0% 이하일 수 있다. 상기 전도층의기공률이 5.0% 초과하면 도막 강도 및 열전도성 및 전기전도성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 전도층 두께가 5 내지 400㎛, 10 내지 300㎛, 또는 80 내지 150㎛일 수 있다. 상기 프라이머층의 두께가 5㎛ 미만이면 지나치게 얇은 두께의 전도층을 포함함으로 인해 복합시트의 지지력이 저하될 수 있다. 400㎛ 초과하면 지나치게 두꺼운 두께의 전도층을 포함함으로 인해 복합시트의 유연성이 저하되고 열전도성 및 전기전도성이 저하될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법은, 기재의 적어도 일면에 프라이머조성물을 도포 및 경화하여, 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함하는 프라이머층을 형성하는 단계; 상기 프라이머층에 도전성 코팅액조성물을 도포 및 경화하여, 탄소계 화합물과 고분자 바인더를 포함하는 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 기재, 프라이머층 및 전도층을 포함하는 적층체를 압착하는 단계;를 포함하는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법이 포함될 수 있다.
먼저, 상기 복합시트 제조방법은, 기재의 적어도 일면에 프라이머조성물을 도포 및 경화하여, 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함하는 프라이머층을 형성할 수 있다.
상기 기재에 도포되는 프라이머조성물은에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함할 수 있으며, 또한, 용매, 금속, 유기산 금속염, 올가노폴리실록산, 지연제 및 계면활성제 등을 더 포함할 수 있다. 도포된 프라이머조성물은 경화 공정을 통해 용매 등의 휘발성분이 휘발되어 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함하는 프라이머층을 형성할 수 있다.
한편, 상기 프라이머조성물은에폭시 화합물, 아미노알콕시실란 및 개시제를 포함할 수 있다. 상기 프라이머조성물을 기재에 도포한 후 열경화 및/또는 광경화하는 공정을 통해, 상기 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 가교가 이루어지고, 용매 등의 휘발성분이 휘발될 수 있다. 이로 인해, 상기 도포 및 경화 공정 이후 상기 기재 상에 형성된 프라이머층에는에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체가 포함될 할 수 있다.
상기 에폭시 화합물, 아미노알콕시실란, 금속, 유기산 금속염, 올가노폴리실록산, 지연제, 계면활성제의 종류; 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 중량비; 중합체의 중량평균분자량; 및 중합체의 점도는 앞서 언급한 바와 같다.
상기 프라이머층을 형성한 이후, 상기 프라이머층에 도전성 코팅액조성물을 도포 및 경화하여, 탄소계 화합물과 고분자 바인더를 포함하는 전도층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 탄소계 화합물과 고분자 바인더의 종류 및 중량비는 앞서 언급한 바와 같다.
한편, 상기 프라이머층 및 전도층의 도포 방법은 당 기술분야에 알려져 있는 도포 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 그라비아(Gravure) 코팅, 마이크로 그라비아(Micro Gravure) 코팅, 키스 그라비아(Kiss Gravure) 코팅, 콤마 나이프(Comma Knife) 코팅, 롤(Roll) 코팅, 스프레이(Spray) 코팅, 메이어 바(Meyer Bar) 코팅, 슬롯 다이(Slot Die) 코팅, 리버스(Reverser) 코팅, 플렉소 방법 또는 오프셋(offset) 방법으로 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합시트 제조방법은, 상기 기재, 프라이머층 및 전도층을 순차적으로 포함하는 적층체를 압착함으로써 밀도가 높은 복합시트를 얻을 수 있다. 이러한 복합시트를 압착하여 밀도가 높임으로 인해 열전도성과 전기전도성이 우수한 특성이 나타내고, 이러한 복합시트를 반도체 공정 설비용 방열재료로 적용하는 경우, 높은 열전도성 및 전기전도성으로 인해 반도체 제조 공정의 공정 수율이 높아질 수 있다.
한편, 압착 공정은 복합시트의 밀도를 높일 수 있는 공정이라면 제한 없이 적용할 수 있으나, 예를 들어, 가압 프레스 공정, 진공가압 프레스 공정, 롤 프레스 공정, 스탬프 프레스 공정, 가압 사출프레스 공정 등 다양한 공정을 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합시트 제조방법에서, 상기 압착은 가압 프레스 공정을 통해 이루어질 수 있으며, 구체적으로 이러한 가압 프레스 공정은, 상기 적층체를 프레스(Press)로 압력을 가하며 열압착하는 단계; 상기 열압착된적층체를 프레스 압력을 유지한 상태로 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 적층체에서 프레스 압력을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가압 프레스 공정은, 먼저, 상기 적층체를 프레스(Press)로 압력을 가하며 열압착할 수 있다. 이때, 상기 적층체에 가해진 압력은 10 내지 100kgf/cm2 또는 20 내지 60kgf/cm2 수 있다. 상기 압력이 10kgf/cm2 미만이면 밀도를 높아지는 효과가 미미하여 복합시트의 열전도성 및 전기전도성이 낮아질 수 있으며, 100kgf/cm2 초과하면 바인더와 필러, 필러와 필러 간의 결합력을 저하시켜 필름도막 강도를 열화 시킬 수 있다.
또한, 상기 가압 프레스 공정은 20 내지 200℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 가압 프레스 공정 시 열을 가하면 미가교된 에폭시 화합물과 아미노알콕실란이 추가적으로 가교가 촉진되어 복합시트의 물질적/화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 적층체를 프레스로 압력을 가하며 열압착한 이후, 프레스 압력을 유지한 상태로 냉각이 이루어지는데, 이는 냉각 공정을 제외하고 높은 온도에서 바로 압력을 제거하면 스프링 백 현상에 의해 복합시트의 밀도가 다시 하락하기 때문에 이를 방지하기 위해서이다.
한편, 상기 가압 프레스 공정을 진공 조건에서 이루어지는 경우, 적층체에 포함된 비휘발 성분의 휘발을 촉진할 수 있어 복합시트의 밀도를 더욱 높이는데 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합시트 제조방법에서, 상기 압착은 롤 프레스 공정을 통해 이루어질 수 있다.
상기 롤에 의해 적층체에 가해진 압력은 10 내지 100kgf/cm2 또는 20 내지 60kgf/cm2일 수 있다. 상기 압력이 10kgf/cm2 미만이면 밀도를 높아지는 효과가 미미하여 복합시트의 열전도성 및 전기전도성이 낮아질 수 있으며, 100kgf/cm2 초과하면 바인더와 필러, 필러와 필러 간의 결합력이 저하되어 필름도막 강도가 열화될 수 있다.
상기 롤의 온도는 20 내지 200℃일 수 있으며, 롤의 열이 적층체에 전이되어 미가교된 에폭시 화합물과 아미노알콕실란이 추가적으로 가교가 촉진되어 복합시트의 물질적/화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제조방법으로 제조된 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트는 전기전자 공정설비에 포함된 방열재료로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 반도체 진공 플라즈마 설비(특히 드라이에칭 공정 설비)에 포함된 개스킷으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고온에서 장기간 노출 시에도 박리 현상이 발생하지 않아 내구성이 현저히 우수하고, 높은 밀도로 인해 열전도성 및 전기전도성이 우수한 복합시트가 제공될 수 있다.
도 1은 가압 프레스 공정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 롤 프레스 공정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 3의 복합시트의 단면을 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)으로 촬영한 사진이다.
도 4는 비교예 3의 복합시트의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
1) 기재, 프라이머층 및 전도층을 포함하는 적층체 제조
비스페놀-A 타입 에폭시 화합물과 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란의 공중합체 및 에틸사이클로헥사(지연제)를 포함하는 프라이머조성물을 제조하고, 최대 직경이 15nm인 그라파이트 10중량부 및 우레아계 수지 90중량부를 포함하는 도전성 코팅액조성물을 제조하였다. 이후, 두께가 40㎛인 알리미늄 박판의 양면에 프라이머조성물을 도포 및 건조하여 10㎛의 프라이머층을 형성하고, 상기 프라이머층 상에 도전성 코팅액 조성물을 양면에 도포 및 건조하여 150㎛의 전도층을 형성하여 적층체를 제조했다. 이때, 상기 프라이머층에포함되는 비스페놀-A 타입 에폭시 화합물과 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란의 중량비가 1:1이 되도록 제어했다.
2) 적층체를 압착하여 복합시트 제조
도 1은 가압 프레스 공정을 모식적을 나타낸 것으로, 이와 같이, 상기 적층체의 양면에 각각 이형 필름, 알루미늄 포일, 및 알루미늄 플레이트를 적층하고, 20kgf/cm2의 압력을 가하여 150℃에서 30분 동안 열압착했다. 이후, 적층체에 가해진 압력을 유지한 상태로 상온(25℃)으로 냉각하고, 냉각된 적층체에서 프레스 압력 및 이형 필름, 알루미늄 포일, 및 알루미늄 플레이트을 제거하여 복합시트를 제조했다.
실시예 2
1) 기재, 프라이머층 및 전도층을 포함하는 적층체 제조
상기 프라이머층에 포함되는 비스페놀-A 타입 에폭시 화합물과 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란의 중량비가 1:0.2라는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 제조했다.
2) 적층체를 압착하여 복합시트 제조
상기 적층체에 가한 압력이 40kgf/cm2이라는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 복합시트를 제조했다.
실시예 3
1) 기재, 프라이머층 및 전도층을 포함하는 적층체 제조
상기 프라이머층에 포함되는 비스페놀-A 타입 에폭시 화합물과 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란의 중량비가 1:20이라는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 제조했다.
2) 적층체를 압착하여 복합시트 제조
도2는 롤 프레스 공정을 모식적으로 나타낸 것으로, 이와 같이, 상기 적층체를 다수의 롤로 구성된 롤 프레스 장치에 도입하고 압착하여 복합시트를 제조했다. 이때, 롤의 표면온도는 150℃이고, 적층체의 이동속도는 0.2m/분이고, 적층체에 가해진 압력이 10kgf/cm2였다. 또한, 상기 복합시트의 단면을 주사전자현미경으로 촬영하여 도 3에 나타냈다.
실시예 4
1) 기재, 프라이머층 및 전도층을 포함하는 적층체 제조
상기 프라이머층에 포함되는 비스페놀-A 타입 에폭시 화합물과 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란의 중량비가 1:30이라는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 제조했다.
2) 적층체를 압착하여 복합시트 제조
상기 적층체에 가해진 압력이 20kgf/cm2이라는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 적층체를 압착하여 복합시트를 제조했다.
비교예 1
실시예 1에서 압착하지 않은 적층체를 복합시트로 준비했다.
비교예 2
실시예 2에서 압착하지 않은 적층체를 복합시트로 준비했다.
비교예 3
실시예 3에서 압착하지 않은 적층체를 복합시트로 준비했다. 또한, 상기 복합시트의 단면을 주사전자현미경으로 촬영하여 도 4에 나타냈다.
비교예 4
실시예 4에서 압착하지 않은 적층체를 복합시트로 준비했다.
1. 접착력 시험
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 대해 Cross Hatch Cut Adhesion Test (ASTM D 3359)에 근거하여 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 단, 방치시간은 상온에서 30분이었다.
2. 열전도도 시험
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 대해 레이저 플래쉬법에 의해 열전도도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
3. 전기전도도 시험
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 대해 동일한 두께 및 동일한 거리에서 multi-tester에 의해 선저항을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
4. 밀도 측정
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 대해 ASTM D792 표준에 근거하여 아르키메데스 원리를 사용한 0.1mg까지 측정 가능한 전자비중계를 사용하여 필름의 밀도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
5. 두께 측정
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 대해 ASTM D374 표준에 근거하여 0.0025mm까지 측정 가능한 마이크로미터를 사용하여 필름의 두께를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
접착력(B) 열전도도 (W/mK) 전기저항 (Ω) 밀도(g/cc) 두께 (㎛)
실시예 1 5B 3.85 60 1.8978 150
실시예 2 5B 4.12 50 2.0628 151
실시예 3 4B 3.56 80 1.8263 152
실시예 4 4B 3.74 70 1.8798 150
비교예 1 3B 2.74 110 1.7172 168
비교예 2 3B 2.72 110 1.7161 172
비교예 3 3B 2.74 110 1.7186 164
비교예 4 3B 2.74 110 1.7179 167
상기 표 1에 따르면, 실시예 1 내지 4의 복합시트는, 압착되지 않은 비교예 1 내지 4의 복합시트(적층체) 보다, 밀도가 높아 이에 따른 열전도도 및 전기전도도가 높은 것을 확인했다. 또한, 도 3 및 4에 따르면, 실시예 3의 복합시트가, 압착되지 않은 비교예 3에 비해, 두께가 얇다는 것을 확인했다.

Claims (25)

  1. 기재;
    상기 기재의 적어도 일면에 형성되고, 에폭시(Epoxy) 화합물과 아미노알콕시실란(amino alkoxysilane)의 공중합체를 포함하는 프라이머층; 및
    상기 프라이머층 상에 형성되고, 탄소계 화합물과 고분자 바인더를 포함하는 전도층을 포함하고,
    평균 밀도가 1.0 내지 5.0g/cc인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합시트는 기공률이 5% 이하인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복합시트는 두께가 50 내지 500㎛인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기재, 프라이머층 및 전도층은 순차적으로 적층되어 압착된 상태인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에폭시 화합물은 폴리글리시딜 에테르 화합물, 폴리글리시딜아민에폭시 화합물, 비스페놀-A 타입 에폭시 화합물, 비스페놀-F 타입 에폭시 화합물, 레조시놀 타입 에폭시 화합물, 테트라히드록시비스페닐-F 타입 에폭시 화합물, 크레졸-노볼락 타입 에폭시 화합물, 페놀-노볼락 타입 에폭시 화합물 및 시클로알리파틱에폭시 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 아미노알콕시실란은아미노프로필트리메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필트라이이소프로폭시실란 및 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 프라이머층은 평균 밀도가 0.9 내지 2.0g/cc인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 프라이머층은 기공률이 5% 이하인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프라이머층은 두께가 10nm 내지 25㎛인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  10. 제1항에 있어서, 상기 탄소계 화합물은 카본블랙, 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 산화 그래핀, 탄소 섬유 및 플러렌(Fullerene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  11. 제1항에 있어서, 상기 고분자 바인더는 열경화성 실리콘 고무 화합물, 일액형열경화성 실리콘 바인더, 이액형열경화성 실리콘 바인더, 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 우레탄계 수지 및 우레아계 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전도층은 평균 밀도가 1.0 내지 5.0 g/cc인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전도층은 기공률이 5% 이하인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전도층은 두께가 5 내지 400㎛인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복합시트는 전기전자 공정설비에 포함된 방열재료인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전기전자 공정설비는 반도체 진공 플라즈마 설비인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  17. 제1항에 있어서, 1.0W/mK 이상의 열전도도 및 100Ω 이하의 저항을 갖는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트.
  18. 기재의 적어도 일면에 프라이머 조성물을 도포 및 경화하여, 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함하는 프라이머층을 형성하는 단계;
    상기 프라이머층에 도전성 코팅액 조성물을 도포 및 경화하여, 탄소계 화합물과 고분자 바인더를 포함하는 전도층을 형성하는 단계; 및
    상기 기재, 프라이머층 및 전도층을 포함하는 적층체를 압착하는 단계;를 포함하는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 프라이머 조성물은 에폭시 화합물과 아미노알콕시실란의 공중합체를 포함하는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 프라이머 조성물은 에폭시 화합물, 아미노알콕시실란 및 개시제를 포함하는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 압착은 가압 프레스 공정을 통해 이루어지는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 가압 프레스 공정은,
    상기 적층체를 프레스(Press)로 압력을 가하며 열압착하는 단계;
    상기 열압착된 적층체를 프레스 압력을 유지한 상태로 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각된 적층체에서 프레스 압력을 제거하는 단계를 포함하는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 열압착 단계에서,
    상기 적층체에 가해진 압력은 10 내지 100kgf/cm2이고, 온도는 20 내지 200℃인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
  24. 제18항에 있어서, 상기 압착은 롤 프레스 공정을 통해 이루어지는, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 롤에 의해 적층체에 가해진 압력은 10 내지 100kgf/cm2이고, 상기 롤의 온도는 20 내지 200℃인, 열전도성과 전기전도성이 우수한 복합시트 제조방법.
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